Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

INFLUENCE OF PARAMETERS OF ELECTRIC CIRCUIT TO ARC PROCESS IN ARC CHAMBER

Gorshkov Y.E. 1 Zheltov P.V. 1
1 Chuvash State University n.a. I.N. Ulyanova
Проведены исследования на ЭВМ влияния параметров электрической цепи на дуговые и газокинетические процессы в дугогасительных камерах автоматических выключателей низкого напряжения. Исследовались влияния фазы включения на ток короткого замыкания, напряжения сети на дуговые и газокинетические процессы. При изучении зависимости максимального значения тока дуги ]дm, ограниченного сопротивлением дуги, возникающей в дугогасительной камере, и коэффициента токоограничения K (K = Im/Iдm) от максимального значения тока металлического к.з. выявлено, что при меньших значениях коэффициента мощности максимальное значение тока дуги больше и, следовательно, коэффициент K меньше. При изучении зависимости параметров дуговых и газокинетических процессов от максимального значения тока дуги Iдm выявлено, что при меньших значениях cosφ значения максимального напряжения дуги Uдm, энергия дуги отключения W(t), времени дуги tг, а также давление в камере и температура воздуха в ней выше.
Computer examinations were carrying out (realized) on the influence of parameters of electric circuit to arc and gas kinetic process in arc turning cameras with automatic switch cut out of low tension. The influence of phase of turning on the current short circuit electric system to arc and gas kinetic process were sullied. While studying dependent of parameters of arc and gas kinetic process from maximum importance of arc current it was found out that when meanings of cosφ of arc are less then meanings of maximal voltage of arc Udm, the W(t) disconnect arc energy, the t2 time of arc, as well as the pressure in camera and air temperature are higher. While studying the dependence of maximum values of arc cuuent (Idm) which is limited by arc resistance rising in arc turning camera and coefficient of limited current K (K = Im/Idm) from maximum meanings of current of short circuit, it was found out that the arc current Idm is higher on smaller by absolute value Ψsh.c. Lesser values of coefficient power, the maximum meaning of arc current is more and as it follows the coefficient K is less.
experiment
functional dependence
electrical circuit parameters
arc chamber
circuit breaker
1. Gorshkov Yu.E. Analiticheskie modeli gazokineticheskih processov v avtomaticheskih vykljuchateljah – Komp’juternye tehnologii i modelirovanie: cb. nauch. tr., no. 9, Cheboksary, 2013, pp. 28–29.
2. Gorshkov Yu.E. Issledovanie na JeVM dugovyh i gazokineticheskih processov v zakrytyh dugogasitel’nyh kamerah – Komp’juternye tehnologii i modelirovanie: cb. nauch. tr., no. 9, Cheboksary, 2013, pp. 89–91.
3. Gorshkov Yu.E. Matematicheskoe modelirovanie gazokineticheskih processov v dugogasitel’nyh kamerah avtomaticheskih vykljuchatelej – Komp’juternye tehnologii i modelirovanie: cb. nauch. tr., no. 9, Cheboksary, 2013, pp. 58–60.
4. Gorshkov Yu.E. Matematicheskoe modelirovanie dugovyh processov avtomaticheskih vykljuchatelej – Komp’juternye tehnologii i modelirovanie: cb. nauch. tr., no. 9, Cheboksary, 2013, pp. 49–50.
5. Taev I.S., Parhomenko S.V., Gorshkov Yu.E., Ragulin I.A. Matematicheskaja model’ dlja rascheta na JeVCM dugovyh processov v avtomaticheskih vykljuchateljah. – Novocheborksarsk: Izv. Vuzov. Jelektromehanika, no. 3, 1980, pp. 308–315.

Одним из дальнейших направлений по интенсивному развитию производства электрических аппаратов низкого напряжения является широкое применение методов теоретической и прикладной математики и средств электронной вычислительной техники для их исследования, проектирования и конструирования. Вопросы совершенствования и разработки дугогасительных устройств автоматических выключателей тесно связаны с исследованием динамических процессов, протекающих в них при отключении автоматическими выключателями токов короткого замыкания (к.з.).

В соответствии с математическими моделями дуговых и газокинетических процессов в дугогасительной камере, включающих в себя процессы движения контактной системы, движения дуги по контактам и дугогасительным рогам, вхождения ее в дугогасительную решетку и ее гашения, разработаны алгоритмы расчета на ЭВМ параметров этих процессов, происходящих в дугогасительных камерах небыстродействующих автоматических выключателей на токи короткого замыкания 30 кА. Разработаны программы расчета параметров этих процессов на алгоритмическом языке «Фортран-4» для ЭВМ для двух разновидностей автоматических выключателей: МОДЕЛ1 и МОДЕЛ2. По программе МОДЕЛ1 рассчитывались параметры дуговых и газокинетических процессов, протекающих в закрытых дугогасительных камерах автоматических выключателей серии A3100 при отклонении ими токов короткого замыкания до 30 кА, а по программе MOДЕЛ2 – в дугогасительных камерах с отверстиями для выхода газов токоограничивающих автоматических выключателей серии А3700В с предельным значением ударного тока короткого замыкания до 300 кА [1, 2, 3, 4].

Начальные условия и варьируемые параметры вычислительного эксперимента

Исследования процессов, происходящих в закрытых дугогасительных камерах небыстродействующих автоматических выключателей, произведены для токов короткого замыкания до 30 кА для сетей низкого напряжения до 380 В. Другие исходные данные для расчета параметров дуговых и газокинетических процессов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета параметров дуговых и газокинетических процессов, происходящих в дугогасительной камере автоматического выключателя серии А3120

№ п/п

Исходные данные

Обозн. в тексте

Единица изм.

Значения данных

Примечания

1

Номинальный ток

A

100

Варьируемый параметр

2

Максимальный ток короткого замыкания

Im

A

5000...30000

Варьируемый параметр

3

Коэффициент мощности

cosφ

0,1...0,3

Варьируемый параметр

4

Фаза включения на ток к.з.

Ψк.з.

рад.

0...–Φ0

Варьируемый параметр

5

Номинальное напряжение сети

Um

В

220, 380

Варьируемый параметр

6

Объем воздуха в камере

V

см3

25,0; 50,0; 75,0

 

7

Площадь выходных отверстий

A

см3

0, 3, 5, 7

 

8

Длина камеры по ходу контакта

d

см

5, 5

 

9

Длина пластин решетки

hp

см

4, 5

 

10

Толщина пластин решетки

Δ

см

1,5; 2,5; 4,0

 

11

Расстояние между пластинами

δ

см

2; 4; 7

 

12

Число пластин решетки

n

шт.

5...20

 

13

Угол расхождения пластин решетки

αn

рад.

0

 

14

Коэффициент, учитывающий долю мощности на повышение давления

C

0,1

 

15

Электропроводность материала пластин решетки

σ

I/(Ом∙м)

6,86∙106

 

16

Относительная магнитная проводимость пластин решетки

μ

30

 

17

Ширина контактов

S

см

1; 1,5; 2,5

 

18

Максимальный угол расхождения подвижного контакта

αm

рад.

0,785

 

19

Длина шины от оси вращения до контакта

lk

см

3,8

 

20

Длина шины от контакта до рога

l1

см

0,8

 

21

Угол между шиной и рогом

αp

рад.

0,75

 

22

Длина рога

lp

см

2,0

 

23

Общее время расхождения подвижного контакта

tk

с

(5...10)∙10–3

 

24

Длина жидкометаллического мостика

lmin

см

0,3

 

25

Электродинамический коэффициент

Kээу

Н/А2

 

26

Расстояние от контакта до пластин решетки

ln

см

3,6

 

При исследованиях этих процессов варьировались параметры электрической сети. К варьируемым параметрам электрической сети отнесены:

а) максимальное значение установившегося тока короткого замыкания Im;

б) коэффициент мощности электрической цепи cosφ;

в) фаза включения на ток короткого замыкания Ψк.з., отсчитываемая от момента перехода тока через ноль;

г) максимальное значение напряжения сети, Um.

Исследование влияния параметров электрической цепи на параметры дуговых и газокинетических процессов

При изучении зависимости максимального значения тока дуги Iдm, ограниченного сопротивлением дуги, возникающей в дугогасительной камере, и коэффициента токоограничения K (K = Im/Iдm) от максимального значения тока металлического к.з. выявлено, что при меньших значениях коэффициента мощности максимальное значение тока дуги больше и, следовательно, коэффициент K меньше. При изучении зависимости параметров дуговых и газокинетических процессов от максимального значения тока дуги Iдm выявлено, что при меньших значениях cosφ значения максимального напряжения дуги Uдm , энергия дуги отключения W(t), времени дуги tг, а также давление в камере и температура воздуха в ней выше. Это можно объяснить тем, что в режиме отключения токов к.з. переходный процесс при малых значениях затягивается. Таким образом, выявлено, что отключение электрической цепи с относительно высокими значениями индуктивного сопротивления (малые значения cosφ) предъявляет повышенные требования к дугогасительной системе автоматического выключателя.

Влияние фазы включения на ток короткого замыкания

При изучении зависимости максимального значения тока дуги Iдm и коэффициента токоограничения K от максимального значения тока короткого замыкания (без дуги) выявлено, что ток дуги Iдm выше при меньших по абсолютной величине Ψк.з. Меньшие значения тока дуги получены при несимметричном случае короткого замыкания Ψк.з. = –φ0. Это можно объяснить тем, что производная тока дуги в начальный период отключения меньше по сравнению со случаем Ψк.з. = 0 (симметричный ток короткого замыкания). Отсюда можно сделать вывод, что чем больше по абсолютной величине фаза включения Ψк.з., тем меньше ограничен дугой ток Iдm. Следовательно, симметричный случай тока короткого замыкания предъявляет повышенные требования к быстродействию контактной системы.

Наименьшие значения максимального напряжения на дуге Uдm, энергии дуги W, времени горения дуги t2 получены при симметричном случае тока короткого замыкания (Ψк.з. = 0). Соответственно энергии дуги значения газокинетического давления и температуры воздуха в дугогасительной камере имеют меньшие значения также при симметричном случае (Ψк.з. = 0). Наибольшие их значения получены при несимметричном случае (Ψк.з. = –φ0). Это объясняется тем, что время отключения (а значит, и время горения дуги) и энергия дуги выше при больших по модулю Ψк.з.. Чем больше параметр Ψк.з. по абсолютной величине, тем выше значения энергии дуги и времени ее горения. Этот факт может быть объяснен тем, что с увеличением по модулю Ψк.з. увеличивается апериодическая составляющая тока переходного процесса при коротком замыкании.

С увеличением максимального значения тока дуги время ее горения уменьшается. Это можно объяснить следующим образом. С увеличением тока дуги увеличивается скорость ее движения по контактам, следовательно, увеличиваются значения напряжения на дуге и давления в камере. Это приводит к уменьшению времени вхождения дуги в решетку и к увеличению напряжения на частичных дугах. Все это способствует более интенсивному гашению дуги за счет большого ограничения тока дуги и уменьшения условного угла сдвига фаз между напряжением сети и током дуги.

Таким образом, для дугогасительной камеры наиболее тяжелым из рассмотренных выше случаев является несимметричный случай короткого замыкания (Ψк.з. = –φ0), при котором получаются наибольшие значения времени горения, энергии электрической дуги, давления и температуры газов в камере.

Приведенные выше результаты расчетов на ЭВМ, где в качестве параметра была взята неконтролируемая и заранее непредсказуемая величина фазы включения на ток короткого замыкания Ψк.з., позволили выявить тяжелый для дугогасительной камеры режим работы.

Влияние напряжения сети

Для определения степени влияния напряжения сети на дуговые и газокинетические процессы, происходящие в ДК при отключении токов короткого замыкания, проведены вычислительные эксперименты для двух номинальных значений напряжения сети: 220 и 380 В.

При этих исследованиях другие варьируемые параметры электрической сети и контактно-дугогасительной системы автоматического выключателя имели следующие значения: cosφ0 = 0,2; Ψк.з.; φк.з. = –φ0; n = 13; d = 0,25 см; V = 500 см3; D = 0,25 см; S = 1,0 см.

Результаты исследований приведены в табл. 2. Проведенные на ЭВМ результаты исследований показывают, что при увеличении напряжения сети увеличиваются все параметры дуговых и газокинетических процессов, происходящих в закрытых ДК автоматических выключателей. Ниже приводится сравнительная оценка параметров дуговых и газокинетических процессов для вышеуказанных значений напряжения сети:

1. Максимальное значение тока дуги при 380 В выше тех же значений тока дуги при 220 В на 6 % (при Iм = 30 кА);

2. Превышение максимального значения напряжения дуги при 380 В по сравнению с 220 В достигает до 15 %;

3. Энергия дуги при З80 В выше энергии дуги при 220 В на 30 %;

4. Максимальные значения ,давления в камере и температуры воздуха при 380 В превышают соответственные значения при 220 В до 45 % (максимальные значения);

5. Время горения дуги при 220 В меньше времени горения ее при 380 В на 8 % при IМ = 30 кА. При малых значениях тока короткого замыкания эта разница меньше и составляет чуть больше 2 %.

Таблица 2

Расчетные максимальные значения параметров дуговых и газокинетических процессов при разных величинах напряжения сети

№ п/п

IM, кА

IДМ, кА

UДМ, В

W, кВт с

pМ, Па 105

TМ, °К

tг, с

220 В

380 В

220 В

380 В

220 В

380 В

220 В

380 В

220 В

380 В

220 В

380 В

1

5

3,2

3,5

287

342

1,4

2,3

0,50

0,73

350

470

13,8

14,1

2

10

4,3

5,4

305

357

1,9

3,2

0,98

1,68

450

730

12,9

13,0

3

15

6,6

7,8

316

368

3,5

6,2

1,30

2,63

660

1000

11,2

11,4

4

20

7,5

9,9

328

380

5,1

8,0

1,80

3,20

750

1150

10,0

10,6

5

25

8,9

9,2

345

392

6,0

8,5

2,20

3,80

820

1320

9,7

10,5

6

30

9,2

9,8

360

405

7,2

10,0

2,60

4,20

1030

1480

9,4

10,2

Выводы

Разработаны методы расчета на ЭВМ параметров дуговых и газокинетических процессов, происходящих в дугогасительных камерах с закрытым корпусом и в камерах с выходными отверстиями при отключении токов короткого замыкания до 30 кА для установочных и до 300 кА для токоограничивающих автоматических выключателей. Проведены вычислительные эксперименты на ЭВМ по характеристикам и параметрам дуговых и газокинетических процессов в режиме отключения токов короткого замыкания, результаты которого позволили выявить степень влияния параметров электрической сети на дуговые и газокинетические процессы в дугогасительной камере автоматических выключателей. Алгоритмы и программы расчета параметров дуговых и газокинетических процессов МОДЕЛ1 и МОДЕЛ2 предназначаются для использования при проектировании дугогасительных устройств с решеткой автоматических выключателей.

Рецензенты:

Артемьев И.Т., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой математического и аппаратного обеспечения информационных систем, ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова», г. Чебоксары;

Охоткин Г.П., д.т.н., профессор, декан факультета радиоэлектроники и автоматики ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова», г. Чебоксары.

Работа поступила в редакцию 25.12.2013.